KR102201837B1 - 왕복동식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 실린더와 피스톤 사이로 압축가스를 주입하는 베어링구멍이 피스톤의 전 영역에 대응되도록 형성됨으로써, 피스톤이 안정적으로 지지되어 마찰손실이나 마모를 미연에 방지할 수 있으며 공진스프링으로 압축코일스프링을 적용할 수 있다. 또, 이를 통해 실린더와 피스톤 사이의 동심도를 맞춰 조립하기가 용이할 뿐만 아니라, 공진스프링의 종변형이 커서 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다. 또, 피스톤에 외주면과 내주면 사이를 관통하는 가스통공을 형성하여 베어링공간의 압력을 낮춤으로써 냉매가 베어링공간으로 원활하게 유입되도록 할 수 있다. 또, 베어링구멍의 출구단에 완충홈을 형성함으로써 냉매가 베어링공간에서 압력강하되는 것을 지체시켜 냉매의 지지력을 높일 수 있다.

Description

왕복동식 압축기{RECIPROCATING COMPRESSOR}

본 발명은 왕복동식 압축기에 관한 것으로, 특히 가스베어링을 구비한 왕복동식 압축기에 관한 것이다.

일반적으로 왕복동식 압축기는 피스톤이 실린더의 내부에서 직선으로 왕복운동을 하면서 냉매를 흡입 압축하여 토출하는 방식이다. 왕복동식 압축기는 피스톤의 구동방식에 따라 연결형과 진동형으로 구분할 수 있다.

연결형 왕복동식 압축기는 피스톤이 회전모터의 회전축에 컨넥팅 로드로 연결되어 실린더에서 왕복운동을 하면서 냉매를 압축하는 방식이다. 반면, 진동형 왕복동식 압축기는 피스톤이 왕복동 모터의 무버(mover)에 연결되어 진동하면서 실린더에서 왕복운동을 하여 냉매를 압축하는 방식이다. 본 발명은 진동형 왕복동식 압축기에 관한 것으로 이하에서는 진동형 왕복동식 압축기를 왕복동식 압축기라고 약칭한다.

왕복동식 압축기는 실린더와 피스톤 사이가 긴밀하게 실링된 상태에서 원활하게 윤활되어야 압축기 성능이 향상될 수 있다. 이를 위해, 종래에는 실린더와 피스톤 사이에 오일과 같은 윤활제를 공급하여 유막을 형성함으로써 실린더와 피스톤 사이를 실링하는 동시에 윤활하는 방식이 널리 알려져 있다. 하지만, 윤활제를 공급하는 방식에서는 별도의 오일공급장치가 필요하게 될 뿐만 아니라, 운전조건에 따라서는 오일부족이 발생되면서 압축기 성능이 저하될 수 있었다. 또, 일정량의 오일을 수용하기 위한 공간이 필요하므로 압축기의 크기가 커지는 것은 물론, 오일공급장치의 입구가 항상 오일에 잠길 수 있어야 하므로 압축기의 설치방향이 제한적일 수밖에 없었다.

상기와 같은 오일 윤활 방식의 왕복동식 압축기가 가지는 단점을 감안하여 도 1에서와 같이 피스톤(1)과 실린더(2) 사이로 압축가스의 일부를 바이패스 시켜 피스톤(1)과 실린더(2) 사이에 가스베어링이 형성되도록 하는 기술이 알려져 있다. 이는, 실린더(2)의 내주면으로 압축가스를 주입하기 위하여 직경이 작은 복수 개의 베어링구멍(2a)이 관통 형성되어 있다.

이러한 기술은 피스톤(1)과 실린더(2) 사이에 오일을 공급하는 오일 윤활 방식에 비해 별도의 오일공급장치가 필요하지 않아 압축기의 윤활구조를 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 운전조건에 따른 오일부족을 예방하여 압축기의 성능을 일관되게 유지할 수 있다. 또, 압축기의 케이싱에 오일을 수용할 공간이 필요 없게 되므로 압축기를 소형화할 수 있고 압축기의 설치방향을 자유롭게 설계할 수 있는 이점이 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 왕복동식 압축기에서는, 도 1에서와 같이 실린더(2)의 압축공간 용적이 최소가 되는 위치, 즉 피스톤(1)이 상사점에 도달하였을 때 피스톤의 길이방향을 기준으로 후방영역이 베어링구멍(2a)의 범위를 벗어나게 되는 반면 피스톤(1)이 하사점에 도달하였을 때에는 피스톤(1)의 전방영역이 베어링구멍(2a)의 범위를 벗어나게 되어 피스톤(1)의 왕복운동시 그 피스톤(1)의 전방 또는 후방을 안정적으로 지지하지 못하게 될 뿐만 아니라, 피스톤(1)을 벗어나는 베어링구멍(2a)에서 가스가 압축공간으로 분사될 경우 그 압축공간으로 흡입된 냉매의 비체적을 상승시키는 반면 피스톤의 후방측으로 분사될 경우에는 피스톤의 후진운동을 방해하게 될 수 있다. 따라서 피스톤(1)을 벗어나는 베어링구멍(2a)은 가스가 분사되지 않도록 제어되어야 하므로 그만큼 베어링구멍(2a)의 제어가 복잡하게 되어 제조비용이 증가하고 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.

또, 가스베어링이 왕복동식 압축기에 적용되는 경우에는 도 2에서와 같이 판스프링(3)을 이용하여 피스톤의 반경방향을 지지하고 있다. 하지만, 판스프링의 특성상 피스톤(도 1에 도시)(1)의 길이방향에 대한 수직방향으로의 변형(즉, 횡변형)이 거의 없기 때문에 피스톤(1)과 실린더(2) 사이의 동심도를 맞춰 조립하기가 상당히 난해하고, 이로 인해 피스톤(1)과 실린더(2) 사이의 정렬이 틀어져 심각한 마모와 마찰손실이 발생할 수 있다. 따라서 판스프링(3)이 적용되는 경우에는 피스톤(1)과 판스프링(3)을 유연한(flexible) 커넥팅바(connecting bar)(미도시)로 연결하거나, 또는 커넥팅바(5a~5c)를 복수 개로 분할하여 적어도 한 개 이상(바람직하게는 두 개 이상)의 링크(6a~6b)로 연결하므로 그만큼 제조비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다. 뿐만 아니라, 판스프링(3)은 피스톤(1)의 길이방향 변형(즉, 종변형)이 커서 노치부위에 응력이 쌓이면서 파손될 수 있으므로 피스톤(1)의 스트로크가 제한되거나 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.

또, 가스베어링이 왕복동식 압축기에 적용되는 경우에는, 피스톤(1)이 하사점에서 상사점으로 이동을 하면서 압축공간의 압력이 점점 증가하여 그 압축공간의 압력이 실린더(2)와 피스톤(1) 사이의 베어링 압력과 거의 동일하게 된다. 이에 따라, 가스베어링을 이루는 베어링구멍(2a)으로 가스가 원활하게 공급되지 못하면서 베어링 성능이 크게 저하될 수 있다.

또, 가스베어링이 왕복동식 압축기에 적용되는 경우에는, 그 가스베어링의 지지력(capacity)은 대략 기준압력에 비레하여 증가하게 된다. 하지만, 기동할 때와 같이 기준압력이 낮은 경우에는 가스베어링의 출구에서 배출되는 순간 압력이 급격하게 낮아지면서 가스베어링의 지지력이 작아져 피스톤 하중을 감당하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은, 피스톤의 왕복운동시 그 피스톤의 전체 운동 영역에 걸쳐 베어링구멍이 피스톤 범위내에 존재하도록 하여, 피스톤이 안정적으로 지지되도록 하는 동시에 피스톤의 왕복운동에 따라 베어링구멍을 제어할 필요가 없어져 제조비용을 낮추고 신뢰성을 높일 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 가스베어링을 적용하면서도 피스톤과 실린더의 조립이 용이하고 피스톤의 반경방향(즉, 횡방향)을 안정적으로 지지하여 압축성능을 향상시킬 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 피스톤이 상사점으로 이동을 하여 압축공간의 압력과 베어링 압력이 거의 동일하게 되더라도 실린더와 피스톤 사이로 가스가 원활하게 공급되어 베어링 효과가 향상될 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 가스베어링의 출구에서 배출되는 냉매의 압력이 급격하게 낮아지는 것을 방지하여 기준압력이 낮은 경우에도 피스톤을 안정적으로 지지할 수 있는 왕복동식 압축기를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 밀폐된 내부공간을 가지는 케이싱; 상기 케이싱의 내부공간에 설치되고 압축공간을 가지는 실린더; 흡입유로가 왕복방향으로 관통 형성되고, 상기 실린더에 삽입되어 왕복운동을 하면서 냉매를 상기 압축공간으로 흡입하여 압축하는 피스톤; 상기 피스톤의 흡입유로를 개폐하는 흡입밸브; 상기 실린더의 압축공간을 개폐하는 토출밸브; 및 상기 실린더에는 그 내주면으로 관통 형성되어 상기 압축공간에서 토출되는 냉매의 일부가 상기 실린더의 내주면과 상기 피스톤의 외주면 사이로 유입되도록 하는 베어링구멍;을 포함하고, 상기 피스톤은 하사점에 위치하는 제1 위치와 상사점에 위치하는 제2 위치를 가지며, 상기 피스톤이 제1 위치일 때 압축공간에 근접한 열의 베어링구멍이 피스톤측 베어링면의 범위 내에 위치하는 반면, 상기 피스톤이 제2 위치일 때 압축공간으로부터 가장 먼 열의 베어링구멍이 피스톤측 베어링면의 범위 내에 위치하도록 형성되는 왕복동식 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 베어링구멍은 상기 실린더의 길이방향을 따라 복수 열(row)로 형성되고, 상기 베어링구멍의 각 열은 상기 실린더의 길이방향 중앙을 기준으로 2등분할 때 그 중앙에서 상기 압축공간쪽으로 가장 인접한 베어링구멍 열까지의 거리가 반대쪽으로 가장 인접한 베어링구멍 열까지의 거리보다 같거나 짧게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 피스톤에는 그 피스톤의 외주면에서 내주면으로 관통되는 적어도 한 개 이상의 가스통공이 형성될 수 있다.

그리고, 상기 가스통공은 상기 베어링구멍과 중첩되지 않는 범위내에 형성될 수 있다.

그리고, 상기 가스통공은 상기 실린더의 중앙을 기준으로 그 중앙에서 압축공간쪽으로 가장 인접한 베어링구멍과 반대쪽으로 가장 인접한 베어링구멍 사이에 위치하도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 실린더의 내주면 또는 상기 피스톤의 외주면에는 상기 베어링구멍의 출구단과 연통되는 적어도 한 개 이상의 완충홈이 형성될 수 있다.

그리고, 상기 완충홈은 상기 압축공간쪽 단부에서 가장 인접한 열의 베어링구멍에 연통되도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 피스톤에는 그 피스톤의 외주면에서 내주면으로 관통되는 적어도 한 개 이상의 가스통공이 형성되고, 상기 완충홈과 상기 가스통공은 서로 중첩되지 않는 위치에 형성될 수 있다.

그리고, 상기 완충홈은 복수 개가 단차지게 형성되고, 상기 복수 개의 완충홈은 상기 베어링구멍의 출구단에서 상기 실린더의 내주면 방향으로 점차 체적이 넓어지도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 완충홈은 환형으로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 실린더와 피스톤 사이의 단위 면적당 최대체적을 A라고 하면, 상기 완충홈의 단위 면적당 체적(B)은 0.5배 ≤ B/A ≤ 1.5배 범위가 되도록 형성될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 케이싱의 내부공간에 설치되고, 무버가 왕복운동을 하는 왕복동 모터; 내주면에 실린더측 베어링면을 가지며, 상기 실린더측 베어링면의 일부가 압축공간을 형성하는 실린더; 외주면에 피스톤측 베어링면을 가지며, 왕복방향으로 흡입유로가 관통 형성되는 피스톤; 및 상기 압축공간에서 토출되는 가스를 상기 실린더측 베어링면과 피스톤 베어링면 사이로 공급하도록 상기 실린더측 베어링면으로 관통 형성되는 베어링구멍;을 포함하고, 상기 피스톤에는 피스톤측 베어링면과 흡입유로 사이를 관통하는 적어도 한 개 이상의 가스통공이 형성되는 왕복동식 압축기가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 베어링구멍의 출구측 끝단 또는 상기 베어링구멍의 출구측 끝단에 대향하는 상기 피스톤의 외주면에는 소정의 체적을 가지는 그루브(groove)가 형성되고, 상기 베어링구멍은 상기 압축공간을 기준으로 상기 베어링구멍보다 멀리 위치할 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 케이싱의 내부공간에 설치되고, 무버가 왕복운동을 하는 왕복동 모터; 내주면에 실린더측 베어링면을 가지며, 상기 실린더측 베어링면의 일부가 압축공간을 형성하는 실린더; 외주면에 피스톤측 베어링면을 가지며, 왕복방향으로 흡입유로가 관통 형성되는 피스톤; 및 상기 압축공간에서 토출되는 가스를 상기 실린더측 베어링면과 피스톤 베어링면 사이로 공급하도록 상기 실린더측 베어링면으로 관통 형성되는 베어링구멍;을 포함하고, 상기 베어링구멍의 출구측 끝단 또는 상기 베어링구멍의 출구측 끝단에 대향하는 상기 피스톤의 외주면에는 소정의 체적을 가지는 그루브가 형성되는 왕복동식 압축기가 제공될 수 있다.

본 발명에 의한 왕복동식 압축기는, 실린더와 피스톤 사이에 압축가스의 일부를 공급하여 그 압축가스의 가스력으로 피스톤을 지지할 수 있도록 실린더와 피스톤 사이에 가스베어링이 구비되는 경우 실린더와 피스톤 사이로 압축가스를 공급하는 베어링구멍이 피스톤의 후방영역까지 형성됨으로써 피스톤이 안정적으로 지지되어 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실이나 마모를 미연에 방지할 수 있다.

또, 가스베어링을 이용하여 피스톤의 자중을 안정적으로 지지함에 따라 피스톤을 공진시키는 공진스프링으로 압축코일스프링을 적용할 수 있고 이를 통해 실린더와 피스톤 사이의 동심도를 맞춰 조립하기가 용이할 뿐만 아니라 공진스프링의 종변형이 커서 압축기의 신뢰성을 높일 수 있다.

또, 피스톤에 외주면과 내주면 사이를 관통하는 가스통공을 형성하여 베어링공간의 압력을 낮춤으로써 냉매가 가스포켓을 통해 베어링공간으로 원활하게 유입되도록 할 수 있다.

또, 가스베어링의 출구단 주변에 완충홈을 형성하여 가스베어링으로부터 배출되는 냉매의 압력이 급격하게 낮아지는 것을 방지할 수 있고 이를 통해 가스베어링의 지지력을 높여 기준압력이 낮은 경우에도 피스톤을 안정적으로 지지할 수 있다.

도 1은 종래 가스베어링이 왕복동식 압축기에 적용된 예를 보인 종단면도,
도 2는 종래 판스프링이 왕복동식 압축기에 적용된 예를 보인 사시도,
도 3은 본 발명 왕복동식 압축기를 보인 종단면도,
도 4는 도 3에서 "A"부를 확대하여 보인 도면으로서, 가스베어링의 일실시예를 보인 단면도,
도 5 및 도 6은 도 3에 따른 가스베어링에서 베어링구멍의 위치를 설명하기 위해 보인 개략도,
도 7 및 도 8은 도 3에 따른 가스베어링에서 베어링구멍이 4열 구조인 경우를 종래의 3열 구조와 비교하여 피스톤의 위치에 따른 하중지지용량(N)과 소비유량(ml/min)을 각각 보인 그래프,
도 9 및 도 10은 도 3에 따른 가스베어링에서 베어링구멍이 4열 구조이고 각 열의 베어링구멍 개수가 상이한 경우를 동일한 경우와 비교하여 피스톤의 위치에 따른 하중지지용량(N)과 소비유량(ml/min)을 각각 보인 그래프,
도 11 및 도 12는 도 3에 다른 가스베어링에서 피스톤에 구비되는 가스통공의 위치를 설명하기 위해 보인 단면도,
도 13 내지 도 15는 본 실시예에 의한 가스베어링이 적용되는 왕복동식 압축기에서 베어링구멍의 위치별 단면적 및 개수를 설명하기 위해 보인 단면도,
도 16 내지 도 18은 본 실시예에 의한 가스베어링이 적용되는 왕복동식 압축기에서 베어링구멍의 각 실시예를 보인 정면도,
도 19는 본 실시예에 의한 완충홈이 베어링구멍 출구단에 형성된 예를 보인 단면도,
도 20은 본 실시예에 의한 베어링구멍에 완충홈이 없는 경우(실선)와 완충홈이 있는 경우(점선)를 비교하여 지지력을 보인 그래프,
도 21은 베어링공간의 단위면적당 체적 대비 완충홈의 단위면적당 체적에 따른 지지력 변화를 보인 그래프,
도 22는 본 실시예에 의한 완충홈이 단차지게 형성된 예를 보인 단면도,
도 23은 도 22에 따른 실시예에서 완충홈의 효과를 보인 그래프,
도 24는 본 실시예에 의한 완충홈이 피스톤의 외주면에 형성되는 예를 보인 단면도.

이하, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 왕복동식 압축기를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기는, 케이싱(10)의 내부공간에 흡입관(12)이 연결되고, 후술할 토출커버(46)의 토출공간(S2)에 토출관(13)이 연결될 수 있다. 케이싱(10)의 내부공간(11)에 프레임(20)이 설치되고, 프레임(20)에는 왕복동 모터(30)의 스테이터(31)와 실린더(41)가 고정되며, 실린더(41)에는 왕복동 모터(30)의 무버(32)에 결합된 피스톤(42)이 삽입되어 왕복운동을 하도록 결합되고, 피스톤(42)의 운동방향 양측에는 그 피스톤(42)의 공진운동을 유도하는 전방측 공진스프링(51)과 후방측 공진스프링(52)이 각각 설치될 수 있다. 전방측 공진스프링(51)과 후방측 공진스프링(52)는 각각 압축코일스프링으로 이루어져 2개 한 쌍으로 원주방향을 따라 전후방으로 번갈아 배치될 수 있다.

그리고 실린더(41)에는 압축공간(S1)이 형성되고, 피스톤(42)에는 흡입유로(F)가 형성되며, 흡입유로(F)의 끝단에는 그 흡입유로(F)를 개폐하는 흡입밸브(43)가 설치되고, 실린더(41)의 선단면에는 그 실린더(41)의 압축공간(S1)을 개폐하는 토출밸브(44)가 설치될 수 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기는, 왕복동 모터(30)에 전원이 인가되면 그 왕복동 모터(30)의 무버(32)가 스테이터(31)에 대해 왕복 운동을 하게 된다. 그러면 무버(32)에 결합된 피스톤(42)이 실린더(41)의 내부에서 직선으로 왕복 운동을 하면서 냉매를 흡입하여 압축한 후 토출하게 된다.

이를 상세히 살펴보면, 피스톤(42)이 후퇴하면 케이싱(10)의 냉매가 피스톤(42)의 흡입유로(F)를 통해 압축공간(S1)으로 흡입되고, 피스톤(42)이 전진하면 흡입유로(F)가 폐쇄되면서 압축공간(S1)의 냉매가 압축된다. 그리고 피스톤(42)이 더 전진을 하게 되면, 압축공간(S1)에서 압축되는 냉매가 토출밸브(44)를 열면서 토출되어 외부의 냉동사이클로 이동하게 된다.

여기서, 왕복동 모터(30)는 스테이터(31)에 코일(35)이 삽입되어 결합되고, 코일(35)을 중심으로 한쪽에만 공극(air gap)이 형성될 수 있다. 그리고 무버(32)에는 스테이터(31)의 공극에 삽입되어 피스톤의 운동방향으로 왕복운동을 하는 마그네트(36)가 구비될 수 있다.

스테이터(31)는 복수 개의 스테이터 블록(31a)과, 스테이터 블록(31a)의 일측에 각각 결합되어 각각의 스테이터 블록(31a)과 함께 공극부(31c)를 형성하는 복수 개의 폴 블록(31b)으로 이루어질 수 있다.

스테이터 블록(31a)과 폴 블록(31b)은 다수 장의 얇은 스테이터 코어를 겹겹이 적층하여 축방향 투영시 원호 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 스테이터 블록(31a)은 축방향 투영시 요홈(ㄷ) 모양으로 형성되고, 폴 블록(31b)은 축방향 투영시 장방형(ㅣ)으로 형성될 수 있다.

무버(32)는 원통모양으로 형성되는 마그네트 홀더(32a)와, 마그네트 홀더(32a)의 외주면에 원주방향을 따라 결합되어 코일(35)과 함께 자속을 형성하는 복수 개의 마그네트(36)로 이루어질 수 있다.

마그네트 홀더(32a)는 비자성체로 형성되는 것이 자속누설을 방지하는데 바람직하나, 굳이 비자성체로 한정할 필요는 없다. 그리고 마그네트 홀더(32a)의 외주면은 원형으로 형성되고, 마그네트(36)가 삽입되어 운동방향으로 지지될 수 있도록 띠 모양으로 마그네트 장착홈(미도시)이 형성될 수 있다.

마그네트(36)는 육면체 모양으로 형성되어 마그네트 홀더(32a)의 외주면에 낱개씩 부착될 수도 있다. 그리고 마그네트(36)가 낱개씩 부착될 경우 그 마그네트(36)의 외주면에는 별도의 고정링이나 복합재료로 된 테이프 등과 같은 지지부재(미도시)로 감싸 고정시킬 수 있다.

그리고 마그네트(36)는 마그네트 홀더(32a)의 외주면에 원주방향을 따라 연이어 부착될 수도 있지만, 스테이터(31)가 복수 개의 스테이터 블록(31a)으로 이루어지고 그 복수 개의 스테이터 블록(31a)이 원주방향을 따라 소정의 간격을 가지도록 배열됨에 따라 마그네트(36) 역시 마그네트 홀더(32a)의 외주면에서 원주방향을 따라 소정의 간격, 즉 스테이터 블록간 간격을 가지도록 부착되는 것이 마그네트의 사용량을 최소화할 수 있어 바람직할 수 있다.

그리고 마그네트(36)는 그 운동방향 길이가 공극부(31c)의 운동방향 길이보다는 작지 않게, 정확하게는 공극부(31c)의 운동방향 길이보다는 크게 형성되고, 초기위치 또는 운전시 적어도 운동방향의 한쪽 끝단이 공극부(31c)의 내부에 위치하도록 배치되는 것이 안정적인 왕복운동을 위해 바람직할 수 있다.

그리고 마그네트(36)는 운동방향으로 한개씩만 배치될 수도 있으나, 경우에 따라서는 운동방향을 따라 복수 개씩 배치될 수도 있다. 그리고 마그네트는 운동방향을 따라 N극과 S극이 대응되도록 배치될 수 있다.

상기와 같은 왕복동 모터는 스테이터가 한 개의 공극부(31c)을 가지도록 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 코일을 중심으로 길이방향 양측에 각각 공극부(미도시)를 가지도록 형성될 수도 있다. 이 경우에도 무버는 전술한 실시예와 동일하게 형성될 수 있다.

한편, 상기와 같은 왕복동식 압축기에서는, 실린더(41)와 피스톤(42) 사이에서의 마찰손실을 줄여야 압축기의 성능을 높일 수 있다. 이를 위해, 압축가스의 일부를 실린더(41)의 내주면과 피스톤(42)의 외주면 사이로 바이패스시켜 가스력으로 실린더(41)와 피스톤(42) 사이를 윤활하는 가스베어링(100)이 알려져 있다.

도 4는 도 3에서 "A"부를 확대하여 보인 도면으로서, 가스베어링의 일실시예를 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 가스베어링(100)은 프레임(20)의 내주면에 소정의 깊이만큼 형성되는 가스포켓(110)과, 가스포켓(110)에 연통되어 실린더(41)의 내주면으로 관통 형성되는 복수 열(row)의 베어링구멍(120)으로 이루어질 수 있다. 여기서, 베어링구멍(120)의 열이라 함은 실린더의 길이방향으로 같은 길이에 위치하는 동일 원주상에 형성되는 베어링구멍들을 지칭한다.

상기 가스포켓(110)은 프레임(20)의 내주면 전체에 환형으로 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 프레임(20)의 원주방향을 따라 소정의 간격을 가지고 복수 개로 형성될 수도 있다.

여기서, 상기 가스포켓(110)은 프레임(20)과 실린더(41) 사이에 형성될 수도 있지만, 경우에 따라서는 실린더(41)의 내부, 즉 실린더(41)의 선단면에서 길이방향으로 형성될 수도 있다. 이 경우에는 상기 가스포켓(110)이 토출커버(46)의 토출공간(S2)과 직접 연통되도록 형성되므로, 후술할 가스안내부가 별도로 구비될 필요가 없어 그만큼 조립공정이 간소화되고 제조비용이 절감될 수 있다.

상기 베어링구멍(120)은 그 위치에 따라 베어링 효과가 상이할 수 있다. 도 5 및 도 6은 본 실시예에 의한 가스베어링이 적용되는 왕복동식 압축기에서 베어링구멍의 위치를 설명하기 위해 보인 개략도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 실린더(41)의 내주면(이하, 실린더측 베어링면)으로 관통되는 베어링구멍(120)이 피스톤(42)의 길이방향으로 전 영역에 걸쳐 소정의 간격을 두고 형성될 수 있다.

예를 들어, 도 5와 같이, 피스톤(42)의 외주면(이하, 피스톤측 베어링면)(42a)을 그 피스톤(42)의 길이방향을 따라 전방영역(A), 중앙영역(B), 후방영역(C)으로 3등분하는 경우, 베어링구멍(120)은 피스톤측 베어링면(42a)의 전방영역(A)에 1개의 열이, 중앙영역(B)에 2개의 열이 각각 형성될 수 있다. 하지만, 이 경우에는 피스톤(42)의 길이가 실린더(41)의 길이에 비해 길게 형성되는 점을 감안하면 후방영역(C)을 안정적으로 지지하는데 불리할 수 있다.

따라서, 도 5에서와 같이 후방영역(C)에 적어도 1개의 열 이상, 바람직하게는 피스톤측 베어링면(42a)을 길이방향 길이의 중간위치(O)를 기준으로 전방영역(A1)과 후방영역(C1)에 동일한 개수와 동일한 총단면적을 가지도록 형성하는 것이 피스톤(42)을 더욱 안정적으로 지지할 수 있다.

즉, 전방영역(A)에 형성되는 제1 베어링구멍(121)과 후방영역(C)에 형성되는 제4 베어링구멍(124)은 동일한 개수와 동일한 총단면적으로 형성될 수 있다. 예를 들어 전방에서 후방으로 제1 열, 제2 열, 제3 열, 제4 열로 구분하면, 제1 열 내지 제4 열까지의 각 베어링구멍(121)(122)(123)(124)은 대략 8개씩 동일한 개수로 형성되는 동시에 각각의 베어링구멍(121)(122)(123)(124)은 동일한 총단면적을 가지도록 형성될 수 있다.

여기서, 피스톤측 베어링면(42a)은 피스톤(42)의 전방면, 즉 흡입밸브(43)가 설치되는 선단면에서 무버(32)와 결합되어 후술할 공진스프링(51)(52)에 지지되록 후방단 부근에 형성되는 플랜지(42b) 시작점까지로 정의될 수 있다. 하지만, 피스톤측 베어링면(42a)을 굳이 피스톤(42)의 선단면에서 플랜지(42b) 시작점까지로 정의하지 않고 실린더(41)의 내주면과 베어링면을 이루는 피스톤의 외주면으로 정의할 수도 있다.

이 경우에도 도 6에서와 같이 실린더측 베어링면(41a)으로 관통되는 베어링구멍(120)은 피스톤(42)의 왕복거리 범위 내, 즉 압축공간(S1)의 용적이 최대가 되는 피스톤(42)의 하사점 위치(이하, 제1 위치)(P1)까지 이동하는 경우에도 제1 열 베어링구멍(121)이 실린더측 베어링면(42a)의 범위 내에 위치하도록 형성되는 한편, 도 5에서와 같이 압축공간(S1)의 용적이 최소가 되는 피스톤(42)의 상사점 위치(이하, 제2 위치)(P2)까지 이동하는 경우에도 제4 열 베어링구멍(124)이 피스톤측 베어링면(41a)의 범위 내에 위치하도록 형성되는 것이 피스톤(42)을 안정적으로 지지할 수 있어 바람직할 수 있다.

그리고 도 5 및 도 6에서와 같이 피스톤의 전방측 선단면에서 제1 열 베어링구멍(121)까지의 간격(L1)은 피스톤의 후방측 선단면에서 제4열 베어링구멍(124)까지의 간격(L2)보다 크게 형성될 수 있다. 이는 피스톤의 후방측에 플랜지(42b)가 형성됨에 따라 그만큼 피스톤의 후방측에 높은 하중지지용량이 요구되는 점을 감안하여 베어링구멍이 실린더측 베어링면(42a)의 후방측으로 편중되게 형성되는 것이 피스톤을 안정적으로 지지할 수 있어 바람직할 수 있다.

상기 베어링구멍은 실린더측 베어링면을 기준으로 정의할 수도 있다. 예를 들어, 도 5에서와 같이 실린더측 베어링면(41a)을 피스톤(42)의 길이방향으로 전방영역(A1)과 후방영역(C1)으로 2등분하는 경우, 베어링구멍(121)(122)(123)(124)은 실린더측 베어링면(41a)의 전방영역(A1)에 2개의 열(121)(122), 후방영역에 2개의 열(123)(124)이 각각 형성될 수 있다.

그리고 피스톤의 길이방향 중간(O)을 기준으로 할 때 실린더측 베어링면(41a)의 전방영역(A1)에 형성되는 베어링구멍(121)(122)과 후방영역(C1)에 형성되는 베어링구멍(123)(124)의 개수와 총단면적이 서로 대칭되게 형성되는 것이 피스톤(42)을 안정적으로 지지할 수 있어 바람직할 수 있다.

한편, 상기 가스포켓(110)의 입구에는 압축공간(S1)에서 토출공간(S2)으로 토출된 압축가스의 일부를 그 토출공간(S2)에서 가스베어링(100)으로 안내하기 위한 가스안내부(200)가 결합될 수 있다.

상기 가스안내부(200)는 토출관(13)의 중간에 연결되거나 또는 실린더(41)의 선단면에 결합되는 토출커버(46)의 토출공간(S2)을 가스포켓(110)의 입구에 연결하는 가스안내관(210)과, 가스안내관(210)에 설치되어 가스베어링(100)으로 유입되는 냉매가스에서 이물질을 걸러내는 필터유닛(220)으로 이루어질 수 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기는, 피스톤측 베어링면(42a)의 길이가 실린더측 베어링면(41a)의 길이보다 길고 횡방향으로 왕복운동을 하는 경우 실린더(41)와 피스톤(42) 사이로 가스를 주입하는 베어링구멍(121)(122)(123)(124)의 위치가 압축공간(S1)과 근접된 피스톤(42)의 전방영역(A)과 중앙영역(B)은 물론 피스톤(42)의 후방영역(C)에도 고르게 형성됨에 피스톤(41)을 안정적으로 지지할 수 있고 이를 통해 실린더(41)와 피스톤(42) 사이에서의 마찰손실이나 마모가 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

특히, 피스톤(42)의 공진운동을 유도하는 공진스프링(51)(52)으로 압축코일스프링이 적용되는 경우, 압축코일스프링의 특성상 횡변형이 커서 피스톤의 처짐이 증가할 수 있으나, 본 실시예에서는 베어링구멍(121)(122)(123)(124)이 피스톤의 길이방향을 따라 전 영역(A)(B)(C)에 걸쳐 형성되고 그 중에서도 높은 하중지지용량이 요구되는 전방측과 후방측에 베어링구멍((121)(122))((123)(124))이 2개 열씩 몰리도록 형성됨에 따라 피스톤(42)이 처지지 않고 원활하게 왕복운동을 하여 실린더(41)와 피스톤(42) 사이의 마찰손실과 마모를 효과적으로 방지할 수 있다.

도 7 및 도 8은 베어링구멍이 전방영역에 2개, 중앙영역에 1개인 종래의 3열 구조와 본 실시예와 같이 전방영역에 1개, 중앙영역에 2개, 후방영역에 1개인 4열 구조에 대한 피스톤의 위치에 따른 하중지지용량(N)과 소비유량(ml/min)을 각각 비교하여 보인 그래프이다. 여기서, 종래에서의 베어링구멍의 개수와 본 실시예의 베어링구멍의 개수는 동일하다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 경우가 종래의 경우에 비해 피스톤의 위치에 관계없이 하중지지용량이 높은 것을 알 수 있다. 이는, 종래의 경우 전방영역이나 후방영역의 베어링구멍 열이 피스톤의 위치, 즉 흡입행정이나 토출행정에 따라 일부는 피스톤의 스트로크 범위를 벗어나게 되어 가스베어링의 역할을 하지 못하게 되는 열이 발생하게 되고, 이로 인해 종래의 가스베어링은 피스톤의 위치에 따라 하중지지용량이 낮아지게 된다. 특히 전방측에 비해 후방측은 베어링구멍의 개수가 상대적으로 적어 피스톤의 후방측에 대한 하중지지용량이 낮아지게 된다.

반면, 본 실시예의 경우는 전 영역의 베어링구멍이 피스톤의 스트로크 범위에 항상 위치하게 되므로 피스톤의 위치에 관계없이 모든 베어링구멍이 가스베어링의 역할을 하게되면서 하중지지용량이 상대적으로 높아지게 될 수 있다. 특히, 제1 열의 베어링구멍(121)과 제2 열의 베어링구멍(122)을 피스톤(42)의 전방영역 부근으로 집중 배치하는 동시에 제3 열의 베어링구멍(123)과 제4 열의 베어링구멍(124)을 피스톤의 후방영역 부근으로 집중 배치함에 따라 피스톤에 대한 하중지지용량이 높아지고 이로 인해 피스톤을 안정적으로 지지할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 경우가 종래의 경우에 비해 피스톤의 위치에 관계없이 소비유량도 낮은 것을 알 수 있다. 이는, 본 실시예의 경우 전 영역의 베어링구멍이 피스톤의 스트로크 범위에 위치하고 베어링구멍의 개수도 종래에 비해 상대적으로 적게 형성됨에 따라 소비유량이 높이 않지만, 종래의 경우는 피스톤의 위치에 따라 그 피스톤의 스트로크 범위 밖에 위치하는 베어링구멍으로 오일이 누설되고 베어링구멍의 개수도 많아 소비유량이 증가할 수 있다. 이로 인해 종래의 경우는 상대적으로 다량의 오일이 봉입되어야 하는 것은 물론 다량의 오일이 압축공간으로 유입되어 냉매의 흡입량을 감소시킴으로써 냉각성능이 저하될 수 있고 다량의 오일이 냉동사이클로 유출됨에 따라 냉동사이클의 냉방효율이 저하될 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기에서 베어링구멍의 각 열간 개수가 상이하게 형성될 수도 있다. 도 9 및 도 10은 베어링구멍의 열이 전방영역에 1개, 중앙영역에 2개, 후방영역에 1개인 4열 구조에서 전방영역과 후방영역에 각 10개, 중앙영역에 각 8개씩인 경우에 대한 피스톤의 위치에 따른 하중지지용량(N)과 소비유량(ml/min)을 각 영역의 베어링구멍 개수가 동일한 전술한 실시예와 비교하여 보인 그래프이다. 즉, 전술한 실시예에서는 각 열간 베어링구멍의 개수가 동일하게 형성되는 것이나, 본 실시예는 각 열간 베어링구멍의 개수가 전방영역과 후방영역은 각각 10개씩, 중앙영역은 각각 8개씩 형성되는 것이다.

이 경우에도 도 9에서와 같이 피스톤의 위치에 따른 하중지지용량이 종래에 비해 높은 것을 알 수 있다. 이는 전술한 실시예와 마찬가지로 전 영역의 베어링구멍이 피스톤의 스트로크 범위에 항상 위치하는 동시에 피스톤의 양단쪽에 베어링구멍이 집중되므로 피스톤의 위치에 관계없이 모든 베어링구멍이 가스베어링의 역할을 하게 되면서 하중지지용량이 상대적으로 높아지게 될 수 있다. 특히 피스톤이 흡입행정 방향으로 완전히 빠진 상태에서는 무게중심이 후방측으로 이동을 하지만 후방영역의 베어링구멍 개수가 전술한 실시예에 비해 많게 되므로 하중지지용량은 오히려 상승하게 된다.

다만, 이 경우에는 도 10에서와 같이 피스톤의 위치에 따른 소비유량은 종래에 비해서도 높은 것을 알 수 있다. 이는 베어링구멍의 총 개수가 증가함에 따른 결과로 해석될 수 있다.

하지만, 상기와 같은 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기에서, 피스톤(42)이 전진운동을 하면 압축공간(S1)의 압력이 점점 증가하여 토출밸브(44)가 열리는 시점에 압축공간(S1)의 압력과 베어링공간(S3)의 압력이 동일하게 된다. 이때, 본 실시예에 따른 왕복동식 압축기의 특성상 피스톤(42)의 선단측 베어링공간(S3)은 압축공간(S1)에서 압축되는 냉매의 일부가 유입되므로 베어링공간(S3)과 가스포켓(110)을 사이에 압력차가 발생하지 않거나 아주 작게 된다. 그러면 베어링공간(S3)으로 냉매가 유입되지 못하면서 피스톤(42)의 선단측이 기울어지면서 전체적으로 압축기 성능이 저하될 수 있다.

이를 감안하여, 도 4 내지 도 6에서와 같이 피스톤(42)에 외주면과 내주면 사이를 관통하는 가스통공(130)을 형성하여 베어링공간(S3)의 압력을 낮춤으로써 냉매가 가스포켓(110)을 통해 베어링공간(S3)으로 원활하게 유입되도록 할 수 있다.

상기 가스통공(130)은 피스톤(42)의 흡입유로(F)와 연통되는 위치이면 어느 위치에 형성하여도 무방할 수 있다. 하지만, 상기 피스톤(42)이 왕복운동을 하면서 가스통공(130)이 베어링구멍(120)과 겹치게 되면 베어링구멍으로 유입되는 냉매가 가스통공(130)쪽으로 빠르게 유입되면서 이상소음이 유발되거나 또는 베어링공간(S3)으로 유입되어야 할 냉매가 가스통공(130)을 통해 흡입유로로 빠져나가게 되어 결국 베어링공간(S3)의 압력이 과도하게 감소하면서 가스베어링의 지지용량이 낮아지거나 압축기 성능이 저하될 수 있다.

따라서, 상기 가스통공(130)은 피스톤(42)이 왕복운동을 하더라도 베어링구멍(120)과 겹치지 않는 피스톤(42)의 하사점과 상사점 사이의 범위에 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

도 11 및 도 12에서는 가스통공의 위치를 명확하게 보이기 위해 가스베어링이 전방열과 후방열 등 2열만으로 이루어진 예를 도시하였다. 이 경우, 전방열 베어링구멍(121)과 후방열 베어링구멍(124)은 실린더의 길이방향 중앙을 기준으로 할 때 그 중앙에서 전방열까지의 거리(L11)가 중앙에서 후방열까지의 거리(L21)보다 짧게 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라 가스통공(130)은 피스톤(42)이 제1 위치에서 전방열 베어링구멍(121)보다 후방측에 위치하는 반면, 피스톤(42)이 제2 위치에서 후방열 베어링구멍(124)보다 전방측에 위치하도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 가스통공(130)은 피스톤(42)의 외주면에서 내주면으로 동일한 내경을 가지도록 전체가 미세통공으로 형성될 수도 있지만, 가스가 가스통공(130)으로 원활하게 안내될 수 있도록 가스통공(130)보다 넓은 피스톤(42)의 외주면에 가스안내홈(131)이 형성되고, 그 가스안내홈(131)에 가스통공(130)이 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 가스안내홈(131)은 피스톤(42)의 원주방향을 따라 한 개의 원띠 모양으로 형성될 수도 있지만, 복수 개가 일정 간격을 두고 형성되어 각각의 가스안내홈(131)마다에 가스통공(130)이 형성될 수도 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 가스통공(130)이 구비되는 왕복동식 압축기에서는 도 12에서와 같이 피스톤(42)이 하사점에서 상사점으로 이동을 할 때 압축공간(S1)의 체적이 점점 작아지면서 압축공간(S1)의 압력이 증가하게 된다. 이와 동시에 압축공간(S1)에서 압축되는 냉매의 일부가 실린더(41)와 피스톤(42) 사이의 베어링공간(S3)으로 스며들어 베어링공간(S3)의 압력을 증가시키게 되고, 피스톤(42)이 상사점으로 이동하는 중에 압축공간의 압력이 일정 압력에 도달하게 되면 냉매가 압축공간(S1)에서 토출공간(S2)으로 토출된다. 이 토출공간(S2)으로 토출되는 냉매의 일부가 베어링구멍(120)을 통해 실린더(41)와 피스톤(42) 사이로 유입되어 일종의 가스베어링 역할을 하게 된다.

여기서, 상기 피스톤이 상사점으로 이동을 할 때 압축공간(S1)에서 베어링공간(S3)으로 유입되는 냉매의 압력과 베어링구멍(120)을 통해 베어링공간(S3)으로 유입되는 냉매의 압력이 거의 동일하게 되면 냉매가 베어링구멍(120)을 통해 베어링공간(S3)으로 원활하게 유입되지 못할 수 있다. 하지만, 본 실시예와 같이 피스톤(42)에 베어링공간(S3)과 흡입유로(F)를 연통시키는 가스통공(130)이 형성되는 경우에는 상대적으로 고압인 베어링공간(S3)의 냉매가 저압인 흡입유로(F)로 유입되면서 베어링공간(S3)의 압력을 감소시키게 되고, 이로 인해 가스포켓(110)과 베어링구멍(120)을 통해 냉매가 베어링공간(S3)으로 원활하게 유입되면서 베어링 효과를 향상시킬 수 있다.

또, 상기 가스통공(130)이 피스톤(42)의 왕복운동중에 베어링구멍(120)과 겹치지 않는 위치에 형성됨에 따라 다량의 냉매가 고속으로 흡입유로(F)를 향해 이동하는 것을 방지하여 이상 소음과 압축기 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 왕복동식 압축기에서 베어링구멍의 형성위치에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 베어링구멍이 실린더의 중앙을 기준으로 양쪽에 각각 1개씩의 열로 형성되는 것이었으나, 본 실시예에서는 베어링구멍이 피스톤측 베어링면을 기준으로 전방영역과 중앙영역 그리고 후방영역으로 구분하여 전방영역(A)에 1개의 열이, 중앙영역(B)에 2개의 열이, 후방영역(C)에 1개의 열이 형성되거나, 또는 실린더측 베어링면(41a)을 기준으로 전방영역(A1)과 후방영역(C1)으로 구분하여 전방영역(A1)에 2개의 열(121)(122)이, 후방영역(C1)에 2개의 열(123)(124)이 형성될 수 있다.

이 경우에도 상기 가스통공은 피스톤측 베어링면을 기준으로 전방영역 열과 중앙영역의 전방측 열 사이, 실린더측 베어링면을 기준으로 전방측 후방열과 후방측 전방열 사이에 형성되는 것이 가스통공과 베어링구멍이 중첩되지 않아 바람직할 수 있다.

또, 본 실시예에서는 실린더측 베어링면(41a)의 길이방향을 따라 베어링구멍(121)(122)(123)(124)이 실린더측 베어링면(41a)의 길이방향을 따라 등간격으로 형성될 수 있다. 이 경우에도 피스톤의 왕복운동시 베어링구멍이 항상 피스톤측 베어링면 범위 내에 위치하게 될 뿐만 아니라 각 베어링구멍(121)(122)(123)(124)의 개수와 총단면적이 동일하게 되어 피스톤을 안정적으로 지지할 수 있다.

이 경우에도 최전방에 위치하는 베어링구멍 열(이하, 제1 열)(121)은 피스톤(42)이 하사점으로 이동하였을 경우에도 피스톤측 베어링면(42a)의 범위 내에 위치할 수 있도록 형성되고, 최후방에 위치하는 베어링구멍 열(이하, 제4 열)(124)은 피스톤(42)이 상사점으로 이동하였을 경우에도 피스톤측 베어링면(42a)의 범위 내에 위치할 수 있도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기와 같은 본 실시예에 의한 왕복동식 압축기의 작용 효과는 전술한 실시예와 대동소이하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 다만, 본 실시예의 경우에는 각 열의 베어링구멍이 열간 등간격으로 형성됨에 따라 각각의 베어링구멍을 용이하게 형성할 수 있으므로 제조비용이 절감될 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 피스톤이 실린더의 길이보다 길게 형성되어 피스톤의 자중이 증가함에도 불구하고 공진스프링이 압축코일스프링으로 구비됨에 따라 압축코일스프링의 특성상 피스톤의 처짐이 발생될 수 있고 이로 인해 피스톤과 실린더 사이에 마찰손실이나 마모가 발생될 수 있다. 특히 실린더와 피스톤 사이에 오일을 공급하지 않고 가스를 공급하여 피스톤을 지지하는 경우에는 실린더의 하반부에 배치되는 베어링구멍의 총단면적이 상반부에 배치되는 베어링구멍의 총단면적보다 크게 형성되어야 피스톤의 처짐을 방지할 수 있고 이를 통해 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실이나 마모를 방지할 수 있다.

도 13 내지 도 15는 본 실시예에 의한 가스베어링이 적용되는 왕복동식 압축기에서 베어링구멍의 위치별 단면적 및 개수를 설명하기 위해 보인 단면도이다.

본 실시예에서는 실린더(41)의 하반부(D1)에 위치하는 베어링구멍(이하, 하측 베어링구멍)(120a)의 총단면적이 상반부에 위치하는 베어링구멍(이하, 상측 베어링구멍)(120b)의 총단면적에 비해 크게 형성될 수 있다.

이를 위해, 도 13에서와 같이 하측 베어링구멍(120a)의 개수가 상측 베어링구멍(120b)의 개수보다 많게 형성될 수 있다. 하지만 하측 베어링구멍(120a)의 개수가 상측 베어링구멍(120b)의 개수에 비해 너무 많게 되면 피스톤(42)이 오히려 상측으로 밀려 피스톤(42)과 실린더(41)의 상반부가 밀착될 수 있으므로 하측 베어링구멍(120a)의 개수와 상측 베어링구멍(120b)의 개수는 적절하게, 하측 베어링구멍(120a)의 크기가 상측 베어링구멍(120b)의 크기에 비해 대략 10~50%정도 많게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

또, 도 14에서와 같이 베어링구멍(120)은 실린더(41)의 최상점에서 최하점으로 갈수록 베어링구멍(120)의 개수를 점차 증가시킬 수 있다. 즉, 실린더(41)의 최상점에서 최하점으로 갈수록 베어링구멍들 사이의 간격(α1>α2··)을 좁혀 베어링구멍(120)이 최하점으로 갈수록 많아지게 배치함으로써 가스베어링(100)의 하측 지지력을 높일 수 있다.

한편, 도 15에서와 같이 하측 베어링구멍(120a)과 상측 베어링구멍(120b)의 개수는 동일하게 하되 각 하측 베어링구멍(120a)의 크기(즉, 단면적)(t1)을 각 상측 베어링구멍(120a)의 크기(t2)보다 크게 형성할 수도 있다. 이 경우에도 하측 베어링구멍(120a)의 크기(t1)가 상측 베어링구멍(120b)의 크기(t2)에 비해 너무 크게 되면 피스톤(42)이 오히려 상측으로 밀려 피스톤(42)과 실린더(41)의 상반부가 밀착될 수 있으므로 하측 베어링구멍(120a)의 크기(t1)와 하측 베어링구멍(120b)의 크기(t2)는 적절하게, 하측 베어링구멍(120a)의 크기(t1)가 상측 베어링구멍(120b)의 크기(t2)에 비해 대략 30~60%정도 크게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

그리고 이 경우에도 실린더(41)의 최상점에서 최하점으로 갈수록 베어링구멍(120)의 크기를 점차 증가시킬 수 있다. 즉, 실린더(41)의 최상점에서 최하점으로 갈수록 베어링구멍(120)의 크기를 점차 크게 하여 베어링구멍(120)의 단면적이 최하점으로 갈수록 커지게 형성함으로써 가스베어링(100)의 하측 지지력을 높일 수 있다.

한편, 베어링구멍의 입구에는 가스포켓으로 유입된 압축가스를 각각의 베어링구멍(120)으로 안내하기 위한 가스안내홈이 형성될 수 있다.

도 16 내지 도 18은 본 실시예에 의한 가스베어링이 적용되는 왕복동식 압축기에서 베어링구멍의 각 실시예를 보인 정면도이다.

도 16에 도시된 바와 같이, 가스안내홈(125)은 각 열마다의 베어링구멍(121)(122)(123)(124)이 서로 연통되도록 환형으로 형성될 수도 있지만, 도 17에서와 같이 가스안내홈(126)은 각 열마다의 각 베어링구멍(121)(122)(123)(124)이 서로 독립되도록 복수 개가 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 형성될 수도 있다.

여기서, 가스안내홈(125)은 가스포켓(110)으로 유입된 압축가스가 베어링구멍(120)으로 주입되기 전에 일종의 버퍼(buffer) 역할을 할 수 있도록 하여 압축가스가 균일한 압력으로 실린더(41)와 피스톤(42) 사이에 주입되도록 할 수 있다. 이를 위해서는 도 16에서와 같이 환형으로 가스안내홈(125)이 형성되는 것이 해당 열의 모든 베어링구멍에 대해 동일한 압력으로 균압을 시킬 수 있어 바람직하나, 이 경우에는 가스안내홈(125)이 형성되는 부위에서의 실린더 두께가 얇아져 강도가 저하될 수 있다. 따라서 도 17에서와 같이 가스안내홈(126)이 각각의 베어링구멍(120)을 개별적으로 구비하도록 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 형성하는 것이 압축가스를 균압시키는 동시에 실린더의 강도도 보상할 수 있어 바람직할 수 있다.

또, 도 18에서와 같이 베어링구멍(120)은 별도의 가스안내홈 없이 실린더(41)의 외주면에 접하는 외주단과 내주면에 접하는 내주단이 동일한 단면적을 가지도록 미세구멍으로 형성될 수도 있다. 이 경우 베어링구멍에 별도의 가스안내홈이 형성되지 않음에 따라 가스포켓(110)의 체적이 전술한 실시예들보다는 더 크게 형성되는 것이 압축가스를 균압시키는데 바람직할 수 있다.

한편, 전술한 실시예들에서는 왕복동 모터의 스테이터에 실린더가 삽입되는 것이나, 왕복동 모터가 실린더를 포함한 압축유닛과 소정의 간격을 두고 기구적으로 결합되는 경우에도 상기와 같은 베어링구멍의 위치는 동일하게 적용될 수 있다. 이에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.

또, 전술한 실시예들에서는 피스톤이 왕복운동을 하도록 구성되어 그 피스톤의 운동방향 양측에 공진스프링이 각각 설치되는 것이나, 경우에 따라서는 실린더가 왕복운동을 하도록 구성되어 그 실린더의 양측에 공진스프링이 설치될 수도 있다. 이 경우에도 베어링구멍의 위치는 전술한 실시예들과 같이 배열될 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 본 실시예에서는 피스톤이 실린더의 길이보다 길게 형성되어 피스톤의 자중이 증가함에도 불구하고 공진스프링이 압축코일스프링으로 구비됨에 따라 압축코일스프링의 특성상 피스톤의 처짐이 발생될 수 있고 이로 인해 피스톤과 실린더 사이에 마찰손실이나 마모가 발생될 수 있다. 특히, 실린더와 피스톤 사이에 오일을 공급하지 않고 냉매를 공급하여 가스력으로 피스톤을 지지하는 경우에는 냉매가 실린더와 피스톤 전 영역에 걸쳐 고르게 공급되어야 피스톤을 안정적으로 지지할 수 있다. 이를 위해, 베어링구멍을 피스톤의 하중을 고려하여 적절하게 배치하여야 피스톤의 처짐을 방지할 수 있고 실린더와 피스톤 사이의 마찰손실이나 마모를 방지할 수 있다.

하지만, 베어링구멍이 적절한 위치에 형성되더라도 베어링구멍을 통해 베어링공간으로 유입되는 냉매의 압력이 급속하게 팽창을 하면서 압력강하가 발생하고, 이로 인해 냉매의 지지력(또는 지지용량)이 급격하게 낮아져 피스톤을 안정적으로 지지하는데 한계가 있을 수 있다. 특히, 압축기의 기동시와 같이 기준압력이 낮은 경우에는 냉매의 지지력이 더욱 낮아 피스톤의 처짐이 더욱 증가할 수 있다.

이를 감안하여, 본 실시예는 베어링구멍의 출구단에 완충홈을 형성하여 냉매가 베어링구멍을 통해 베어링공간으로 유입될 때 발생되는 압력강하를 지연시킴으로써 가스베어링의 지지력을 유지하도록 하는 것이다.

도 19는 베어링구멍이 전방열과 후방열을 가지는 2열 구조인 경우 각 열의 베어링구멍 출구단에 완충홈을 형성한 예를 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 베어링구멍(121)(124)의 출구단에 소정의 깊이와 넓이를 가지는 완충홈(141)(144)이 각각 형성될 수 있다.

완충홈(141)(144)은 환형으로 형성될 수 있지만, 각 열의 각 베어링구멍(121)(124)과 일대일로 대응하도록 원주방향을 따라 복수 개가 원호 형상으로 형성될 수도 있다.

상기와 같이 각 베어링구멍의 출구단에 완충홈이 형성되는 경우에는 그 베어링구멍(121)(124)의 출구단을 통해 베어링공간(S3)으로 유입되는 냉매의 압력강하가 일정정도 지체되면서 가스베어링의 지지력이 급격하게 저하되는 것을 방지할 수 있다. 도 20은 완충홈이 없는 경우(실선)와 완충홈이 있는 경우(점선)를 비교하여 지지력을 보인 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이 완충홈이 없는 경우는 베어링구멍을 통해 베어링공간으로 유입되는 냉매의 지지력이 P1->P2로 급격하게 낮아지는 반면, 완충홈이 있는 경우는 중간에 완충점 P3를 거쳐 P1->P3->P2로 낮아져 결국 빗금친 영역만큼 지지력이 향상되었슴을 알 수 있다.

그리고 완충홈(141)(144)은 그 체적에 따라 압력강하가 지체되는 정도가 다를 수 있다. 예를 들어, 완충홈의 체적이 베어링공간의 단위면적당 최대체적을 A라고 할 때 완충홈의 단위면적당 체적(B)은 0.5≤B/A≤1.5 정도가 되도록 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 도 21은 베어링공간의 단위면적당 체적 대비 완충홈의 단위면적당 체적에 따른 지지력 변화를 보인 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, B/A가 0.5보다 작은 경우에는 완충홈의 체적(넓이)이 너무 작아 국부적으로만 지지력에 영향을 끼칠 뿐 피스톤 전 영역에 걸쳐 영향을 끼치지 못하는 반면, B/A가 1.5보다 큰 경우에는 완충홈의 체적이 너무 넓어 압력강하를 지체하는 효과가 반감되면서 지지력에 큰 영향을 끼치지 못하는 결과를 초래하는 것을 알 수 있다.

한편, 완충홈은 도 22에서와 같이 각 완충홈이 단차져 1단 완충홈(141a)과 2단 완충홈(141b) 등 복수 개씩으로 형성될 수 있다. 예를 들어 완충홈이 2단일 경우, 도 23과 같이 완충점이 P3,P4가 발생하여 압력이 P1->P3->P4->P2 단계로 강하되면서 그만큼 가스베어링의 지지력이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 완충홈(140)은 피스톤(42)의 외주면에 형성될 수도 있다. 도 24는 완충홈(140)이 피스톤(42)의 외주면에 형성되는 예를 보인 단면도이다. 이 경우, 피스톤(42)의 완충홈(140)은 가스통공(130)이 형성된 경우 그 가스통공(130)과 중첩되지 않는 위치, 즉 가스통공(130)을 사이에 두고 전방측과 후방측에 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기와 같이 완충홈이 피스톤의 외주면에 형성되는 경우에도 그 구성 및 작용 효과는 전술한 실시예와 대동소이할 수 있다. 다만, 완충홈을 실린더의 내주면에 형성하는 경우에는 가공이 용이하지 않을 수 있으나, 본 실시예와 같이 완충홈을 피스톤의 외주면에 형성하는 경우에는 그 완충홈의 가공이 상대적으로 용이할 수 있다.

30 : 왕복동 모터 31 : 스테이터
31a : 스테이터 블록 31b : 폴 블록
31c : 공극부 32 : 무버
32a : 마그네트 홀더 36 : 마그네트
41 : 실린더 42 : 피스톤
51,52 : 공진스프링 100 : 가스베어링
110 : 가스포켓 120 : 베어링구멍
121~124 : 제1,제2,제3,제4 베어링구멍
125,126 : 가스안내홈 130 : 가스통공
131 : 가스안내홈 140,141,142 : 완충홈

Claims (14)

1. 밀폐된 내부공간을 가지는 케이싱;
   상기 케이싱의 내부공간에 설치되고, 무버가 왕복운동을 하는 왕복동 모터;
   상기 케이싱의 내부공간에 설치되고 압축공간을 가지는 실린더;
   흡입유로가 왕복방향으로 관통 형성되고, 상기 압축공간의 반대쪽 단부가 상기 왕복동 모터의 무버에 결합되고 상기 압축공간에 인접한 쪽은 자유단을 이루며, 상기 실린더에 삽입되어 왕복운동을 하면서 냉매를 상기 압축공간으로 흡입하여 압축하는 피스톤;
   상기 피스톤의 흡입유로를 개폐하는 흡입밸브;
   상기 실린더의 압축공간을 개폐하는 토출밸브; 및
   상기 실린더에는 그 내주면으로 관통 형성되어 상기 압축공간에서 토출되는 냉매의 일부가 실린더측 베어링면을 이루는 상기 실린더의 내주면과 피스톤측 베어링면을 이루는 상기 피스톤의 외주면 사이로 유입되도록 하는 베어링구멍;을 포함하고,
   상기 피스톤은 하사점에 위치하는 제1 위치와 상사점에 위치하는 제2 위치를 가지며,
   상기 피스톤이 제1 위치일 때 압축공간에 근접한 열의 베어링구멍이 상기 피스톤측 베어링면의 범위 내에 위치하는 반면, 상기 피스톤이 제2 위치일 때 압축공간으로부터 가장 먼 열의 베어링구멍이 상기 피스톤측 베어링면의 범위 내에 위치하도록 형성되고,
   상기 베어링구멍은 상기 실린더의 길이방향을 따라 복수 열(row)로 형성되며,
   상기 실린더의 양단 중에서 상기 압축공간에 근접한 쪽의 단부와 이에 인접한 상기 베어링구멍 사이의 간격(L1)은 상기 실린더의 반대쪽 단부와 이에 인접한 상기 베어링구멍 사이의 간격(L2)보다 크게 형성되는 왕복동식 압축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 베어링구멍의 각 열은 상기 실린더의 길이방향 중앙을 기준으로 2등분할 때 그 중앙에서 상기 압축공간쪽으로 가장 인접한 베어링구멍 열까지의 거리가 반대쪽으로 가장 인접한 베어링구멍 열까지의 거리보다 같거나 짧게 형성되는 왕복동식 압축기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 피스톤에는 그 피스톤의 외주면에서 내주면으로 관통되는 적어도 한 개 이상의 가스통공이 형성되는 왕복동식 압축기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 가스통공은 상기 베어링구멍과 중첩되지 않는 범위내에 형성되는 왕복동식 압축기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 가스통공은 상기 실린더의 중앙을 기준으로 그 중앙에서 압축공간쪽으로 가장 인접한 베어링구멍과 반대쪽으로 가장 인접한 베어링구멍 사이에 위치하도록 형성되는 왕복동식 압축기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 실린더의 내주면 또는 상기 피스톤의 외주면에는 상기 베어링구멍의 출구단과 연통되는 적어도 한 개 이상의 완충홈이 형성되는 왕복동식 압축기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 완충홈은 상기 압축공간쪽 단부에서 가장 인접한 열의 베어링구멍에 연통되도록 형성되는 왕복동식 압축기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 피스톤에는 그 피스톤의 외주면에서 내주면으로 관통되는 적어도 한 개 이상의 가스통공이 형성되고,
   상기 완충홈과 상기 가스통공은 서로 중첩되지 않는 위치에 형성되는 왕복동식 압축기.
9. 제6항에 있어서,
   상기 완충홈은 복수 개가 단차지게 형성되고, 상기 복수 개의 완충홈은 상기 베어링구멍의 출구단에서 상기 실린더의 내주면 방향으로 점차 체적이 넓어지도록 형성되는 왕복동식 압축기.
10. 제6항 내지 제9항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 완충홈은 환형으로 형성되는 왕복동식 압축기.
11. 제10항에 있어서,
    상기 실린더와 피스톤 사이의 단위 면적당 최대체적을 A라고 하면, 상기 완충홈의 단위 면적당 체적(B)은 0.5배 ≤ B/A ≤ 1.5배 범위가 되도록 형성되는 왕복동식 압축기.
12. 케이싱의 내부공간에 설치되고, 무버가 왕복운동을 하는 왕복동 모터;
    내주면에 실린더측 베어링면을 가지며, 상기 실린더측 베어링면의 일부가 압축공간을 형성하는 실린더;
    외주면에 피스톤측 베어링면을 가지며, 왕복방향으로 흡입유로가 관통 형성되는 피스톤; 및
    상기 압축공간에서 토출되는 가스를 상기 실린더측 베어링면과 피스톤 베어링면 사이로 공급하도록 상기 실린더측 베어링면으로 관통 형성되는 베어링구멍;을 포함하고,
    상기 피스톤에는 피스톤측 베어링면과 흡입유로 사이를 관통하는 적어도 한 개 이상의 가스통공이 형성되는 왕복동식 압축기.
13. 제12항에 있어서,
    상기 베어링구멍의 출구측 끝단 또는 상기 베어링구멍의 출구측 끝단에 대향하는 상기 피스톤의 외주면에는 소정의 체적을 가지는 완충홈이 형성되고,
    상기 실린더와 피스톤 사이의 단위 면적당 최대체적을 A라고 하면, 상기 완충홈의 단위 면적당 체적(B)은 0.5배 ≤ B/A ≤ 1.5배 범위가 되도록 형성되는 왕복동식 압축기.
14. 케이싱의 내부공간에 설치되고, 무버가 왕복운동을 하는 왕복동 모터;
    내주면에 실린더측 베어링면을 가지며, 상기 실린더측 베어링면의 일부가 압축공간을 형성하는 실린더;
    외주면에 피스톤측 베어링면을 가지며, 왕복방향으로 흡입유로가 관통 형성되는 피스톤;
    상기 압축공간에서 토출되는 가스를 상기 실린더측 베어링면과 피스톤 베어링면 사이로 공급하도록 상기 실린더측 베어링면으로 관통 형성되는 베어링구멍; 및
    상기 베어링구멍의 출구측 끝단 또는 상기 베어링구멍의 출구측 끝단에 대향하는 상기 피스톤의 외주면에 구비되며, 소정의 체적을 가지는 그루브가 형성되는 완충홈을 포함하고,
    상기 베어링구멍은 상기 실린더의 길이방향을 따라 복수 열(row)로 형성되며,
    상기 실린더와 피스톤 사이의 단위 면적당 최대체적을 A라고 하면, 상기 완충홈의 단위 면적당 체적(B)은 0.5배 ≤ B/A ≤ 1.5배 범위가 되도록 형성되는 왕복동식 압축기.
    

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